background image

ĆWICZENIE  NR 

25

 

 

POMIAR TEMPERATURY MEOTODAMI 

ELEKTRYCZNYMI 

 

25.1. Cel ćwiczenia 

 

Celem  ćwiczenia jest ocena przydatności wybranych termometrów 

elektrycznych do pomiaru temperatur zmiennych w czasie. 
 

25.2.Teoretyczne podstawy pomiaru temperatury metodami  

elektrycznymi 

 

Wprowadzenie. Skale temperatur 

 

Elektryczny pomiar temperatury jest najczęściej spotykanym pomiarem 

wielkości nieelektrycznej przeprowadzanym metodą elektryczną. Temperatura 
jest tą wielkością fizyczną, która wpływa na przebieg procesów fizycznych i 
chemicznych, jest używaną do monitorowania środowiska i jego elementów, 
może być parametrem świadczącym o stanie technicznym maszyn i urządzeń, 
poprawności ich pracy. Pod wpływem temperatury zmieniają się parametry 
materiałów, przyrządów i narzędzi pomiarowych, co może być  źródłem 
istotnych zakłóceń w pomiarach o charakterze zdeterminowanym i 
niezderminowanym, zarówno w pomiarach statycznych jak i dynamicznych.  
Temperatura jest fizyczną wielkością charakteryzującą stan równowagi 
termodynamicznej układu makroskopowego. Wg. Definicji J.C. Maxewell’a 
temperatura ciała jest jego cieplnym stanem, będącym miarą zdolności do 
przekazywania ciepła innym ciałom
. Oznacza to, że ciała cieplejsze oddają 
ciepło chłodniejszym, a chłodniejsze przejmują ciepło od cieplejszych czyli w 
układach niezrównoważonych termodynamicznie energia przechodzi od ciał o 
wyższej temperaturze do ciał o niższej temperaturze, natomiast w stanie 
równowagi termodynamicznej wszystkie części układu, charakteryzują się 
jednakową temperaturą. 

background image

 

 

373

 

 

Jednostką temperatury w układzie SI jest Kelvin (K), który według 
międzynarodowej skali temperatur (MST-90) przyjętej w roku 1990 jest 
określany jako 1/273,16 temperatury termodynamicznej punktu potrójnego 
wody. 
Temperatura Celcjusza t jest określana zależnością  

15

,

273

)

(

)

(

=

K

T

C

t

o

 

     ( 

25.1) 

 

W międzynarodowej skali temperatur MST-90 punkt potrójny wody 
(mieszanina nasyconej pary, wody i lodu) ma temperaturę 

C

o

01

,

0

, stąd 

zależność pomiędzy  międzynarodową temperaturą Kelwina i międzynarodową 
temperaturą Celcjusza jest następująca 

15

,

273

)

(

)

(

90

90

=

K

T

C

t

o

 

     ( 

25.2) 

MST-90 definiuje punkty stałe, którym przyporządkowane są wartości 
temperatur, których używa się do wyznaczania skal termometrów.  

 

                                                                                                                                       Tabela 25.1 

Stan równowagi 

Przyporządkowane Wartości 

temperatur 

 

]

[

90

K

T

 

]

[

90

C

t

o

 

Cisnienie pary helu (zalezność funkcyjna)  

3 do 5 

-270,15 do 
–268,19 

Punkt potrójny wodoru w równowadze 

13,8033 

-259,346 

Punkt wrzenia wodoru pod ciśnieniem 33 330,6 Pa 

17 

-256,15 

Punkt wrzenia wodoru przy okreslonym ciśnieniu 20,3 

-252,58 

Punkt potrójny neonu 

24,5561 

-248,5939 

Punkt potrójny tlenu 

54,3584 

-218,7916 

Punkt potrójny argonu 

83,8058 

-189,3442 

Punkt potrójny rtęci 

234,3156 

-38,8344 

Punkt potrójny wody 

273,16 

0,01 

Punkt topnienia galu 

302,9146 

29,7646 

Punkt krzepnięcia indu  

429,7485 

156,5985 

Punkt krzepnięcia cyny 

505,078 

231,928 

Punkt krzepnięcia cynku 

692,677 

419,527 

Punkt krzepnięcia aluminium 

933,473 

660,323 

Punkt krzepnięcia srebra 

1234,93 

961,18 

Punkt krzepnięcia złota 1337.33 

1064,18 

Punkt krzepnięcia miedzi 

1357.77 

1084,62 

W tabeli 25.1 podano punkty stałe wykorzystywane do skalowania 
termometrów wg ITS-90 (International Temperature Scale). W tabeli tej poza 

background image

 

 

374

 

punktami potrójnymi wartości temperatury, odpowiadają temperaturze przy 
ciśnieniu p

= 101325 Pa

Termometr jest urządzeniem do pomiaru temperatury, wykorzystującym do 

tego celu różne zjawiska fizyczne i właściwości materiałów. Zamiana 
termicznej formy energii w inną jej formę jak: chemiczną. optyczną, 
mechaniczną, elektryczną, molekularną, akustyczną lub nuklearną jest podstawą 
działania czujników temperatury (sensorów), które stanowią pierwszy element 
systemu pomiarowego.  

W technice, powszechnie znane są termometry cieczowe 

(rozszerzalnościowe), pirometryczne (radiacyjne), gazowe (zależność ciśnienia i 
objętości) oraz elektryczne z sensorami rezystancyjnymi, półprzewodnikowymi 
i termoelektrycznymi (termoparami). 
Termometry rozszerzalnościowe - w zależności od rodzaju ośrodka 
poddawanego działaniu temperatury - mogą mierzyć temperaturę w zakresie 

C

C

o

o

500

200

+

÷

z największą, w specjalnych wykonaniach, czułością 

C

o

01

,

0

 (termometr Beckmanna). 

Najczęściej stosowanymi sensorami w termometrach elektrycznych są: 
-  rezystory termometryczne (rezystancja opornika zmienia się wraz z 

temperaturą),  

-  termoelementy (zjawisko powstawania siły termoelektrycznej),  
-  termistory NTC (rezystancją materiału półprzewodnikowego maleje wraz ze 

wzrostem temperatury), 

-  silistory (krzemowe których rezystancja zwieksza się z temperaturą), 
-  diodowe i tranzystorowe, (charakterystyki prąd/napięcie zależą od 

temperatury).  

Termometry rezystancyjne  

 

Sensorami w termometrach rezystancyjnych są rezystory metalowe, 

uzwajane lub warstwowe, zmieniające swoją rezystancję wraz z mierzoną 
temperaturą.  
Metale, których używa się do budowy sensorów powinny spełniać następujące 
wymagania: 

ƒ

  znaczna zmiana rezystancji przy zmianie temperatury, czyli powinny być 

wrażliwe na zmianę temperatury,  

ƒ

  duża rezystywność materiału, która umożliwia konstruowanie sensorów o 

małych gabarytach, 

ƒ

  stałość parametrów fizykochemicznych w czasie i przy zmianach 

temperatury, 

ƒ

  duża odporność na wysokie temperatury, 

background image

 

 

375

 

 

ƒ

  łatwość odtwarzania sensorów o tych samych parametrach, 

ƒ

  liniowa zależność rezystancji od temperatury oraz brak histerezy. 

Nie ma materiałów w pełni spełniających powyższe wymagania, ale 
materiałami, których właściwości zbliżają się do powyższych wymagań są: 

ƒ

  nikiel (

C

C

o

o

150

60

+

÷

),  

ƒ

  miedź (

C

C

o

o

150

50

+

÷

),  

ƒ

  stop Balco,Rh-Fe (

C

C

o

o

200

200

+

÷

),   

ƒ

  a przede wszystkim platyna (

C

C

o

o

850

200

+

÷

),.  

Na rys 25.1 przedstawiono stosunek rezystancji 

T

 do

0

w funkcji 

temperatury.  
 

Platyna

Miedź

Stop Balco

Nikiel

Temperatura 

o

C

 

Rys.25.1 Charakterystyki termometryczne niklu, stopu balco, miedzi i platyny   

w funkcji temperatury 

 

W niniejszym ćwiczeniu, temperatura Celcjusza, jest oznaczana również 

literą 

ϑ

 (chociaż czasami T) w celu uniknięcia podobieństw do czasu  

Oznaczenie temperatury Celcjusza literą 

ϑ

 jest zgodne z polską Normą 

„Ciepło” [PN-61/N 011109]. 

background image

 

 

376

 

Zakładając przypadek ogólny, gdy rezystancja sensora 

)

(

ϑ

f

R

T

=

 zmienia 

się z temperaturą, korzystając ze wzoru Tylora można napisać 

 





+

+





+

+

=

=

=

=

n

n

n

T

R

R

n

R

R

R

R

R

R

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

ϑ

0

0

2

0

2

2

0

0

0

0

!

1

...

!

2

1

1

1

   (25.3) 

gdzie: 

T

- rezystancja w temperaturze 

ϑ

0

- rezystancja w temperaturze 

C

0

0

=

ϑ

 

Zależność zmiany rezystancji platyny w funkcji temperatury można opisać 
zależnością 

[

]

3

2

0

1

ϑ

ϑ

ϑ

+

+

+

=

C

B

A

R

R

T

 

   (25.4) 

 

gdzie współczynniki A, B, C wyznacza się z zależności 
 

0

0

1

ϑ

ϑ

ϑ

=

=

R

R

A

 

      ( 

25.5) 

0

2

2

0

!

2

1

ϑ

ϑ

ϑ

=





=

R

R

B

 

     ( 

25.6) 

0

3

3

0

!

3

1

ϑ

ϑ

ϑ

=





=

R

R

C

 

      (25.7) 

 
W przybliżeniu można przyjąć, że 

[

]

ϑ

α

1

0

+

≈ R

R

T

 

 

Dla platyny współczynnik 

α

= 0,385, dla niklu 

α

= 0,617, dla miedzi

α

= 0,426, 

a dla Rh-Fe 

α

= 0,379; 

ϑ

 jest różnicą temperatur , 

0

 jest rezystancją w 

temperaturze 

C

o

0

Do pomiaru rezystancji w tej grupie sensorów stosuje się stabilne źródła 

prądowe, układy napięciowe z dzielnikiem, układy mostkowe odchyłowe i 
zerowe typowe dla danego zakresu zmian rezystancji. 

background image

 

 

377

 

 

Na rysunku 25.2 przedstawiono przedstawiono różne struktury 

rezystancyjnych czujników platynowych. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 25.2. Struktury czujników rezystancyjnych

 

background image

 

 

378

 

Termometry termistorowe 

 

W półprzewodnikowych sensorach temperatury wykorzystuje się silną 

zależność zmiany gęstości i ruchliwości nośników w funkcji temperatury. 
Zależność (25.8) przedstawia zmianę rezystancji

T

R

 termistora od temperatury 

T wyrażonej w Kelwinach



=

ref

T

T

B

ref

T

T

e

R

R

1

1

   

 

 

 

 

 

 

(25.8) 

gdzie: 

ref

R

 - jest rezystancja termistora w temperaturze odniesienia 

ref

T

,  

B

 - stała w 

Kelwinach zależna od materiału termistora,  

T

 - bieżąca temperatura w 

Kelwinach.  

Z równania (25.8) można określić czułości termistora, zmieniająca się wraz ze 
zmianą, temperatury, poprzez zdefiniowanie 

temperaturowego współczynnika 

rezystancji 

T

α

, jako 

2

1

T

B

dT

dR

R

T

T

T

=

=

α

 

     (25.9) 

Z równania (25.9) wynika zależność współczynnika 

T

α

, od temperatury, 

czułość ta maleje wraz ze wzrostem temperatury. Współczynnik czułości , 

ref

α

 

jest wyrażany w %/K.  
Wzór (25.8) można zapisać w często spotykanej formie (25.10) 





=

T

ref

T

T

ref

T

ref

T

T

e

R

R

α

   

 

 

 

 

 

( 25.10) 

gdzie:  

α

T

ref

- cieplny współczynnik zmiany rezystancji termistora w temperaturze 

odniesienia 

T

ref

,  

 T = T - 

T

ref

 - jest różnicą temperatur. 

Do pomiaru temperatur stosuje się prawie wyłącznie termistory o ujemnym 
cieplnym współczynniku zmian rezystancji (NTC – Negative Temperaure 
Coeeficient). Te o współczynniku dodatnim (PTC – Positive Temperaure 
Coeeficient) stosuje się do sygnalizatorów przekroczenia pewnych temperatur. 
Właściwości termistorów zależą od ich składu. Dla zastosowań w zakresie 
temperatur: -50 

o

C to +200 

o

C, wszystkie typy termistorów zawierają Mn i Ni. 

background image

 

 

379

 

 

Procentowa zmiana zawartość komponentów Co i Cu powoduje zmianę 
rezystywności właściwej  wzakresie od 10 

Ω.cm do 10

5

 

Ω.cm przy jednoczesnej 

zmianie współczynnika B od 2580 K do 4600 K. W temperaturze odniesienia 
293 K, wartość 

α

T

  zawiera się w granicach -2 %/K do -6 %/K. Ze względu na 

przemianę fazową materiałów z których wykonuje się termistory NTC, 
zachodzącą w tempertaurze niewiele ponad 500 

o

C, termometry termistorowe 

wykonuje się do temperatury ok. 500 

o

C, aczkolwiek z materiałów ziem 

rzadkich zakres pomiaru termometrami termistorowymi można rozszerzyć do 
ok. 1500 

o

C. 

Układy pomiarowe stosowane z sensorami termistorowymi są analogiczne do 
tych przy pomiarach z termorezystorami. Różne rozwiązania konstrukcyjne 
termistorów przedstawiono na rys. 25.3. Na rys. 25.4 przedstawiono zależność 
stosunku rezystancji 

R

T

/

R

TREF 

  w funkcji temperatury w 

o

C dla różnych 

materiałów. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 

 

Rys. 25.3.  Różne rozwiązania wykonań termistorów 

 
 
 

 

a) perełkowy

c) płytkowy

e) bagietkowy 

d) precikowy 1

    szkłem lub plastkiem

b) perełkowy oblany

background image

 

 

380

 

N TC  termistor

Rezy

st

an

cja w

zg

dn

a  (

R

T

/R

TRE

F

)

Temperatura, 

o

C

Pt-RTD , P

t-100 Ω

-4.6 % /K

α

Tr

-3.0 % /K

-3.5 % /K
-3.8 % /K
-4.0 % /K

-5.0 % /K
-5.4 % /K

silist

or Si

-RTD

, 1 k Ω

 

Rys. 25.4. Stosunek rezystancji, R

T

/

R

TREF

, w funkcji temperatury wyrażonej w 

C

o

dla róznych 

matetriałów. T

ref

 = 293 K (20 

°C) 

Termometry termoelektryczne 

 

Dużą grupę termometrów stanowią urządzenia do pomiaru temperatury z 
sensorami termoelektrycznymi. Pomiędzy dwoma różnymi metalami lub 
stopami metali, złączonymi ze sobą, na ich styku powstaje różnica potencjałów, 
która jest wyrażona zależnością 

B

A

B

A

AB

N

N

q

kT

V

ln

+

=

φ

φ

 

    (25.11) 

background image

 

 

381

 

 

gdzie:  

φ

A

 i 

φ

B

 – poziomy Fermiego w metalu A i B,  

N

A

 i 

N

B

 - liczba swobodnych elektronów w jednostce objętości każdego z 

metali,  
k - stała Boltzmann's, 
q - ładunek elektronu,  
T – temperatura. 
Gdy dwa różne metale są połączone ze sobą, w tej samej temperaturze (

T

T

0

1

=

), 

suma różnicy potencjałów jest zerowa 

0

)

(

)

(

0

0

=

+

T

V

T

V

BA

AB

 

      (25.12) 

 

Rys. 25.5Obwód składający się z dwóch różnych metali, których jedno złącze jest 

 w temperaturze

1

T

a drugie złącze w 

2

T

)

(

2

1

T

T

 

Jeżeli 

T

T

0

1

, w obwodzie powstaje różnica potencjałów nazywana siłą 

termoelektryczną Peltier'a wyrażoną równaniem 

B

A

BA

AB

P

N

N

T

T

q

k

T

V

T

V

E

ln

)

(

)

(

)

(

0

1

0

1

=

=

     (25.13) 

Jednocześnie w takim obwodzie istnieje siła termoelektryczna wynikająca z 
efektu Thomsona, czyli powstająca pod wpływem gradientu temperatur 
wolnych elektronów w jednorodnym materiale przewodzącym. Siła 
termoelektryczna Thomsona jest opisana zależnością 

)

)(

(

0

1

T

T

E

B

A

T

=

δ

δ

 

     (25.14) 

background image

 

 

382

 

gdzie:  

B

A

δ

δ

 i

 

 -  współczynniki Thomsona, zależne od materiału. 

Ze względu na fakt, że obie siły termoelektryczne Peltier i Thompsona 
występują jednocześnie (sumowanie algebraiczne), można wyrazić je jako 
funkcje różnicy temperatur 

E

E

E

f T T

P

T

=

+

=

(

)

1

0

      (25.15) 

 

 

 

Rys 25.6.  Miliwoltomierz podłączony do obwodów termopar A i B 

 oraz  włączonym trzecim metalem C 

 

Po włączeniu w obwód urządzenia do pomiaru siły termoelektrycznej (rys. 

25.6), zgodnie z równaniem (25.15) jego wskazanie będzie zależeć do różnicy 
temperatur. Jest to zależność paraboliczna z małym „wygięciem”, tak więc 
czasami można uważać że jest to zależnośc wprost proporcjonalna. Jeżeli jedna 
z temperatur będzie znana, wówczas wartość siły termoelektrycznej będzie 
funkcją temperatury drugiej, nieznanej. Jeżeli temperaturę 

0

 nazwiemy 

temperaturą odniesienia i jest ona nam znana (np. 273 K), złącze to będziemy 
nazywać  złączem odniesienia. Temperatura 

1

 jest temperaturą  mierzoną. 

Istnieją dwie możliwości włączenia miernika siły termoelektrycznej, tak jak 
pokazano na rys 25.6, tj. poprzez przewód oznaczony literą „C” do miejsca 
umieszczenia złącz termoelementu w temperaturze odniesienia lub w dowolnym 
miejscu po przecięciu przewodu „B” termoelementu.  Rodzaj przewodu „C” nie 
będzie odgrywał roli o ile podłączy się go do złącza jak na rys  25.6 a i b.  

background image

 

 

383

 

 

W wielu przypadkach nie jest możliwe zapewnienie stałej temperatury 

wolnych końców spoiny pomiarowej, gdyż odległość spoiny pomiarowej i 
wolnych końców termopary jest zbyt mała. Należy wówczas stosować 
przewody wykonane ze specjalnego, dobranego do danej termopary materiału, 
zwane przewodami kompensacyjnymi. Nie byłoby ekonomiczne wykonanie np. 
termopary platynowej z końcami długości kilkunastu metrów i o 
charakterystyce termometrycznej identycznej z charakterystyką termometryczną 
termoelementu. 

W rzeczywistych układach pomiarowych jedno złącze (pomiarowe) musi 

być umieszczone w temperaturze mierzonej 

1

T , a drugie złącze odniesienia w 

temperaturze 

T

0

. W precyzyjnych pomiarach wolne końce termoelementu są 

umieszczane w temperaturze odniesienia równej 273,15 K, (potrójny punkt 
wody)  znajdującej się w pewnej odległości od punktu pomiarowego.  

 

 

Rys. 25.7.  Pomiar temperatury z wykorzystaniem przewodów kompensacyjnych 

 

Możliwe jest wykorzystanie temperatury odniesienia innej niż temperatura 

puktu potrójnego wody 273,15 K, ale wówczas należy uwzględnić poprawki 
wynikajace z tej różnicy. Na rysunku 25.7 zilustrowano graficznie sposób 
uwzględniania takiej poprawki. 

Rozważmy przypadek, gdy temperaturę odniesienia 

n

T

0

, zastępuje inna 

temperatura odniesienia

01

. Zakładamy,  że 

01

>

n

T

0

. W celu uwzględnienia 

poprawki wynikającej z innej temperatury odniesienia niż ta, którą 
przewidziano podczas nadawania skali pomiarowej, należy uwzględnić 
poprawkę 

E

1

, by uzyskać nową skorygowaną wartość, 

1

m

( rys 25.8).  

background image

 

 

384

 

E

E

0n

T

01

E

01

T

0m

T

1m

T

T

02

T

0n

E

02

∆E

2

∆E

1

T

2m

E

0m

∆E

2

∆E

1

E

1m

E

2m

 

 

Rys. 25.8.  Korekcja wskazań temperatury  wynikająca  

z temperatury odniesienia różnej od 

T

n

0

 

Siła termoelektryczna 

E

n

0

 odpowiada temperaturze odniesienia 

T

n

0

, a 

E

01

 

odpowiada  

T

01

. Korekcja wynosi 

n

E

E

E

0

01

1

=

. Załóżmy, że mierzona siła 

termoelektryczna wynosi 

m

E

0

, co odpowiada pozornie mierzonej temperaturze 

m

T

0

. Ta pozorna temperatura musi być skorygowana poprzez wartość 

odpowiadającą korekcji 

E

E

E

n

1

01

0

=

 wynikającą z różnic w 

temperaturach odniesienia. Należy do wartości 

m

E

0

 dodać wartość  E

∆  by 

uzyskać temperaturę skorygowaną 

m

T

1

. Analogicznie postępuje się, gdy 

temperatura odniesienia spełnia zależność 

0

<

T

n

0

 (rys. 25.8). 

W wielu przypadkach do pomiaru sił termoelektrycznych używa się 

kompensatorów prądu stałego, lub millivoltomierzy o dużej rezystancji 
wejściowej z odczytem analogowym lub cyfrowym i z wbudowaną funkcą 
linearyzującą charakterystykę E=f(T). 

Korzystając z powyższych rozważań, jest możliwe zaprojektowanie 

obwodu, który będzie zapewniał korekcję przy temperaturze odniesienia 

0

 

równej temperaturze otoczenia, niezależnie od jej wartości. Taki układ 
mostkowy realizujący korekcję jest przedstawiony na rys 25.9. W mostku tym 
przewody termoelementu A i B są podłączone za pomocą przewodów 
kompensacyjnych A’ i B’. Do wartości siły termoelektrycznej   dodaje się 
napięcie niezrównoważenia mostka 

N

, które stanowi napięcie korekcji 

zmieniające się wraz ze zmianą temperatury otoczenia, gdyż w jednej z gałęzi 

background image

 

 

385

 

 

umieszczony jest opornik termometryczny 

R

T

, a w pozostałych trzech gałęziach 

mostka są oporniki o rezystancji R i o małym temperaturowym współczynniku. 
Napięcie zasilające mostek U

s

 nie zależy od temperatury otoczenia. 

 

T

1

B

A

B'

A'

E

R

R

R

R

T

U

zas.

U

N

T

0

E + U

N

 

Rys.25.9. Kompensacja wolnych końców termopary niezależnie od temperatury zewnętrznej 

 

Siły termoelektryczne metali lub stopów metali względem platyny, w 
odniesieniu do platyny w temperaturze 100 

o

C, zestawiono w tabeli 25.2. 

                                                                                                                                          Tabela 25.2 

Metal Siła termoelektryczna 

w mV 

Metal Siła 

termoelektryczna 

w mV 

Nikiel -1,48 

srebro 

+0,74 

Kobalt -1,33 

cynk 

+0,76 

Pallad -0,57 

miedź +0,76 

Platyna 0 

złoto +0,78 

Aluminium +0,42 

wolfram +1,12 

Ołów +0,44 

molibden 

+1,45 

Platyna-rod  
(90 % Pt, 10 % Rh) 

+0,643 

żelazo +1,89 

Iryd +0,65 

Nikielchrom 
(85 % Ni, 12 % Cr) 

+2,81 

rod +0,70 

 

 

 
 
 
 
 

background image

 

 

386

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 25.10. Siły termoelektryczne różnych termopar w odniesieniu do platyny 

 

Zależność siły termoelektrycznej od temperatury wyznacza się doświadczalnie; 
jest ona różna dla różnych materiałów. W małym zakresie temperatur można 
przyjąć, że jest to zależność liniowa,  ogólnie jednak 

2

T

b

T

a

E

+

=

 

 

 

 

 

 

 

(25.15)

 

gdzie:  
i b - współczynniki zależne od rodzaju użytych materiałów, 

T - różnica temperatur między wolnymi końcami i spoiną  pomiarową. 

Największa, dopuszczalna dla danej spoiny temperatura, zależy od rodzaju 

materiałów. W tabeli 25.3 zestawiono parametry różnych typów 

termoelementów o znormalizowanych charakterystykach termometrycznych 

w/g PN-EN 60548 (IEC 584). 

 

miedź

platyna

mV

K

T

73 273

673

1073

1473

0

10

20

30

-10

-20

-30

miedź-nikiel (konstantan)

Nikiel

nikiel-chrom (chromel)

nikiel-aluminium (alumel)

żelazo

platyna-10% rod

pallad

E

background image

 

 

387

 

 

 

                                                                                                                          Tabela 25.3 

Rodzaj termopary 

typ  

Zakres pracy w 

o

  

ciągły dorywczy 

Platyna –10 % rod / platyna  

S (Pt Rh 10 - Pt) 

1300 

1600 

Platyna – 13 % rod / platyna 

R (PtRh13 - Pt 

1300 

1600 

Platyna – 13 % rod / platyna – 6 % rod  

R (PtRh13 - Pt 

1300 

1600 

Żelazo / miedź-nikiel 

J (Fe - CuNi) 

600 

1000 

Miedź / miedź - nikiel 

T (Cu - CuNi) 

-200

÷500 -200÷500 

Nikiel-chrom / miedź-nikiel 

E (NiCr – CuNi) 

-200

÷900 

-

200

÷1000 

Nikiel-chrom / nikiel-aluminium 

K (NiCr - NiAl) 

1000 

1200 

Nikiel-chrom-krzem / nikiel-krzem 

N (NiCrSi – NiSi) 

1000 

1200 

 

  Na rys. 25.9 rezystor R

1

 w mostku Wheatstone'a jest wykonany z drutu 

miedzianego. Miedź posiada dość znaczny współczynnik temperaturowy 
rezystancji; pozostałe elementy mostka nie zmieniają rezystancji w tak dużym 
stopniu. Jeżeli temperatura otoczenia, a więc i temperatura, w której znajdują się 
elementy mostka, jest równa 0oC, wówczas mostek znajduje się w równowadze, 
w związku z czym napięcie na zaciskach CD jest równe zeru. Jeżeli temperatura 
otoczenia wzrasta, wówczas zmienia się wartość rezystancji R

1

 i mostek nie jest 

w równowadze, więc na zaciskach CD pojawia się pewne napięcie, które dodaje 
się do napięcia powstałego na spoinie pomiarowej. W temperaturze 20oC 
wartość tego napięcia jest równa +0,63 mV. Sonda posiada własne  źródło 
zasilania mostka Wheatstone'a w postaci wbudowanej baterii rtęciowej o 
napięciu około 1,1 V. 
 Szczególnie 

duże wartości siły termoelektrycznej można otrzymać przez 

zastosowanie półprzewodników. Jednak z powodu starzenia się i niejednolitości 
charakterystyk termopar półprzewodnikowych nie są one używane w technice 
pomiarowej. Są stosowane jako przetworniki energii cieplnej w elektryczną i 
elektrycznej w cieplną, zwłaszcza w chłodziarkach (wykorzystanie zjawiska 
Peltiera). 
 

Właściwości dynamiczne i modelowanie termometrów 

 

Właściwości dynamiczne termometrów określają ich zachowanie się przy 

pomiarach temperatur zmiennych w czasie. Błędy dynamiczne w pomiarach 
temperatur są określane na podstawie znajomości właściwości dynamicznych 
termometrów. 
Na podstawie znajomości właściwości dynamicznych termometrów można 

background image

 

 

388

 

wyznaczyć: 
-  błędy dynamiczne i przebiegi rzeczywiste mierzonej temperatury, 
-  czas ustalania się wskazań termometru przy zmianie temperatury oraz 
-   dokonać doboru korektorów do korekcji błędów dynamicznych. 
We współczesnych termometrach elektrycznych sensory decydują o 
właściwościach dynamicznych termometru, tak więc można mówić o dynamice 
sensorów, a przez to rozumie się dynamikę termometrów. 

 

Sensor idealny 

 

Idealny sensor temperatury jest elementem inercyjnym pierwszego rzędu. W 

celu udowodnienia tego stwierdzenia, rozważmy wyidealizowany czujnik 
temperatury. Zakłada się  że sensor jest wykonany jako jednorodny walec 
cylindryczny z jednorodnego materiału i jednakowych właściwościach we 
wszystkich kierunkach. Jest on wykonany z materiału o nieskończenie dużej 
przewodności cieplnej, ma masę m, ciepło właściwe c i powierzchnie wymiany 
ciepła A. Zakłada się, że sensor jest całkowicie zanurzony w medium, którego 
temperaturę mierzymy, i zakładamy, że nie zachodzi wymiana ciepła z żadnym 
innym ośrodkiem o innej temperaturze. Zakłada się,  że pojemność cieplna 
sensora 

c

m

 jest pomijalnie mała w stosunku do pojemności cieplnej medium 

oraz  że współczynnik przejmowania ciepła miedzy czujnikiem a ośrodkiem 
badanym ma stałą wartość. 
W celu napisania równania różniczkowego dla określenia modelu posłużymy 
się metoda bilansu cieplnego. W chwili czasowej t = 0

-

, (nieskończenie mały 

czas przed chwilą zerową), załóżmy,  że sensor ma ustalony stan termiczny z 
temperaturą początkową 

θ

T

, równą temperaturze otoczenia 

θ

a

. Gdy t = 0

zanurzamy sensor w medium o temperaturze 

θ

 > 

θ

a

. Oznaczając 

nadtemperaturę (przyrost temperatury ponad temperaturę otoczenia) przez 

Θ

można zapisać warunki początkowe dla t = 0, tak więc nadtemperatura ma 
wartość  

Θ

(0

-

) = 

θ

T

(0

-

) - 

θ

a

(0

-

) = 0  i  

Θ

 = 

θ

 - 

θ

a

 > 0     (25.16) 

Po zanurzeniu sensora w badanym medium, zgodnie z prawem Newtona ilość 
ciepła 

dQ

t

 przekazanego do sensora w jednostce czasu dt wyniesie 

(

)

dQ

A

dt

t

T

=

α

Θ Θ

     (25.17) 

gdzie: 
Q - współczynnik przejmowania ciepła miedzy czujnikiem z badanym medium, 

background image

 

 

389

 

 

A - pole wymiany ciepła. 
Ciepło zgromadzone w sensorze jest wyrażone zależnością 

T

s

mcd

dQ

Θ

=

 

      (25.18) 

różniczkując równanie (25.17)  po czasie otrzymuje się 

dt

mcd

dt

dQ

T

s

Θ

=

      (25.19) 

gdzie c są zdefiniowane jak powyżej. 
Równowaga bilansu cieplnego. Z prawa zachowania równowagi ciepła 

s

t

dQ

dQ

=

 tak więc otrzymujemy 

Θ

=

Θ

+

Θ

A

A

dt

d

mc

T

T

α

α

 

    (25.20) 

Definiując stałą czasowa sensora jako 

A

mc

N

T

α

=

 

      (25.21) 

można zapisać równanie (25.20) jako 
 

Θ

=

Θ

+

Θ

T

T

T

dt

d

N

      (25.22) 

 

Poprzez analogie do obwodu elektrycznego R-C równanie (25.21) może być 
zamodelowane jak na rys 25.11. Temperatura sensora 

Θ

T

, odpowiada napięciu 

T

U

 z wejściowym skokiem temperatury, 

Θ

, analogicznie jak skok napięcia U.  

Pojemność elektryczna C modelu odpowiada   pojemności cieplnej (mc) sensora 
podczas, gdy rezystancja elektryczna R, modelu  odpowiada termicznej 
rezystancji, 

(

)

1

α

A

, pomiędzy warstwa zewnętrzna sensora i powierzchnią 

medium, w którym znajduje się sensor. 
Taki wyidealizowany sensor jest elementem inercyjnym pierwszego rzędu. 

background image

 

 

390

 

C=cw

m

R=1/(

αA)

u(t)

U

 

Rys 25.11 . Analowy schemat zastepczy termometru idealnego 

R- rezystancja zastępcza,, 

α - współczynnik przenikania ciepła,  A _ pole powierzchni przejmowania 

ciepła, m- masa czujnika 

Θ - temperatura ośrodka,  Θ

T

 – temperatura bieżąca: U- wartość 

napięcia, u(t) – wartość chwilowa napięcia 

 

Rzeczywiste charakterystyki sensorów temperatury 

 

Rzeczywiste modele sensorów temperatury (termometrów) mogą różnić się 

od zaproponowanego modelu jako elementu inercyjnego pierwszego rzędu. 
Jednakże w wielu zastosowaniach jest to wystarczające przybliżenie. 
Szczegółowy opis rzeczywistych modeli czujników temperatury można znaleźć 
w książce [1] oraz [2].  
Poprzez wyznaczenie stosunku czasów, po których czujniki temperatury o 
kształcie cylindrycznym osiągają 50 % i 90% skoku amplitudy temperatury, jest 
możliwe określenie czy jest to: 
a)  czujnik działania objętościowego, (

32

,

3

/

5

,

0

9

,

0

t

t

), 

b)  czujnik działania objętościowego 32

,

3

/

5

,

0

9

,

0

>

t

t

c)  czujnik działania środkowego 

32

,

3

/

5

,

0

9

,

0

<

t

t

Różnice w odpowiedziach czasowych tych 3-ech rodzajów termometrów 
zilustrowano na rys. 25.12. Charakter przebiegów zmian wskazań w czasie jest 
związany z procesem przepływu i rozchodzenia się ciepła w całym czujniku. 
Wnikanie ciepła do części sensorycznej (1) czujnika, odbywa się poprzez 
obudowę czujnika (2) i materiał izolacyjny (izolacja elektryczna) (3) . 
 

W przypadku czujnika o działaniu powierzchniowym, następuje najszybsza 

background image

 

 

391

 

 

reakcja na zmiany temperatury, gdyż cała powierzchnia części sensorycznej 
przejmuje wnikające ciepło. Wolniejszej reakcji na zmiany temperatury można 
spodziewać się w czujnikach o działaniu objętościowym, gdyż cała objętość 
musi przejąć dopływające ciepło. Ten rodzaj czujnika jest najbardziej zbliżony 
do modelu idealnego. 
  W przypadku termometrów z czujnikami działania  środkowego, ciepło z 
pewnym opóźnieniem wnika poprzez obudowę zewnętrzną i materiał 
izolacyjny, stąd zauważalne na wykresie spowolnienia narastania temperatury w 
początkowej części odpowiedzi. 
 

Typ działania

czujnika

środkowy

objętościowy powierzchniowy

struktura

t /t

0,9 0,5

<3,32

3,32

>3,32

1

1

1

2

3

1-część sensoryczna

2-obudowa zewnętrzna
3-materiał izolacyjny

czas t

te

m

peratura 

T

 

 

Rys 25.12. Odpowiedzi na skok jednostkowy 3 rodzajów termometrów 

 
 
 
 
 
 
 
 

 

background image

 

 

392

 

25.3.Wykonanie ćwiczenia 

25.3.1. Wyznaczanie stałych czasowych czujników temperatury 

 

Układ połączeń 

 
Schemat układu pomiarowego jest na rysunku 25.13. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 25.13. Układ połączeń do wyznaczania stałych czasowych temperatury 

background image

 

 

393

 

 

Oznaczenia 

 

T

Hg

 - termometr rtęciowy, 

T

T

 - NTC (Negative Temperature Coefficient) przetwornik termistorowy 

podłączony do Mul_1, 

T

R

 - Pt-100, przetwornik rezystancyjny (RTD), (podłączony do Mul_2), 

T

E

 -termoelement 1 podłączony do miliwoltomierza , 

T

E

 -termoelement 2 podłączony do miliwoltomierza,   

Mul_1 – mulitimeter 1 pracujący na zakresie 

Mul_2 – multimeter 2 pracujący na zakresie 

Mul_3 – multimeter 3 pracujący na zakresie mV, 
Mul_4 – multimeter 4 pracujący w trybie pomiaru temperatury, 
TS – złącze odniesienia, 
KG – komora grzejna

 Uwaga: Podczas ćwiczenia należy podać obok oznaczeń określenia i 
wartości charakteryzujące użyte przyrządy. 
 

Postępowanie podczas pomiaru 

 

Wyznaczenia stałych czasowych czujników temperatury  dokonuje się na 

podstawie odpowiedzi w czasie na dodatni i ujemny skok temperatury, 
przenosząc czujniki z cieczy o temperaturze wyższej (60-70 

0

C) do kąpieli o 

temperaturze niższej (20-25 

0

C) i odwrotnie z chłodniejszej do cieplejszej 

rejestrując w czasie temperaturę za pomocą komputerowego systemu akwizycji 
danych z multimetrów.

 

Wyznaczenia stałych czasowych 

H

L

N

_

 i 

L

H

N

_

 (L-niższa temperatura, H-

wyższa temperatura) dokonuje się poprzez: 
-  określenie czasu jaki jest potrzebny na osiągnięcie przez czujnik 63 % 

różnicy temperatur kąpieli, 

-  prowadzenie stycznej do wykresu odpowiedzi czasowej czujnika w punkcie 

rozpoczęcia zmiany temperatury, 

-  aproksymację linią wykładniczą odpowiedzi w czasie czujnika na skok 

temperatury. 

Zapis z pomiarów dokonywany jest w arkuszu wyników podanym w 
oprogramowaniu obsługującym system akwizycji danych który zawiera: 
-  czas rejestracji, 
-  wartość rezystancji termistora NTC w 

k

 

-  wartość rezystancji czujnika Pt-100 w 

 

background image

 

 

394

 

-  wartość siły termoelektrycznej sensora NiCr-Ni w obudowie w mV 
-  wartość siły termoelektrycznej sensora NiCr-Ni bez obudowy w mV 
- wartości temperatury w stopniach Celcjusza po przeliczeniu przez 
charakterystyki termometryczne 
 

Protokół wyników pomiaru 

 

                                                                                                                                        Tabela 25.4 

  

 

Typ 

czujnika 

 

 

Stała  

NTC 

termist

or 

Pt-100 termo 

opornik 

NiCr-Ni 

termoelement 

w obudowie 

NiCr-Ni 

termoelement bez 

obudowy 

H

L

N

 

s  

 

 

 

L

H

N

 

s  

 

 

 

(

)

H

L

H

L

N

N

+

5

,

0

 

s  

 

 

 

 

Wzory i przykłady obliczeń 

 

Podać wzory i przykłady obliczeń potrzebne do: 
- wyznaczania 

stałych czasowych, 

- wyznaczania 

niepewności pomiaru stałych czasowych. 

Wyznaczone stałe czasowe  

H

_

τ

i  

L

_

τ

 dla każdego z przetworników wpisać 

do tabeli 25.4. 

 

25.4. Uwagi o wynikach pomiaru 

 

25.5. Literatura 

 

[1]  L. Michalski, K. Eckersdorf, Kucharski J.: Termometria Przyrządy i 

Metody. Politechnika Łódzka, Łódź 1998 

[2]  McGhee J., Henerson I., Korczyński M.J., Kulesza W.: Scientific 

Metrology.  Wyd. ACGM LODART, S.A. Łódź 1998  

[3]  Turzeniecka D.: Ocena niepewności wyniku pomiarów. Wydawnictwo 

Politechniki Poznańskiej, Poznań 1997. 

 

background image

 

 

395

 

 

 
25. Ćwiczenie  NR 25 Elektryczny pomiar temperaturyBłąd! Nie zdefiniowano zakładki. 

25.1. Cel ćwiczenia ................................................................................................ 372 
25.2. Teoretyczne podstawy elektrycznego pomiaru temperatury ......................... 372 

25.2.1.  Wprowadzenie. Skale temperatur. ....................................................... 372 
25.2.2. Tstancyjne ............................................................................................ 374 
25.2.3. Termotry 

termistorowe......................................................................... 378 

25.2.4. Termometry 

termoelektryczne ............................................................. 380 

25.2.5. Właściwości dynamiczne i modelowanie termometrów. ..................... 387 

25.3. Wykonanie ćwiczenia.................................................................................... 392